【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 VR 單片機(jī)保密性能好。它具有不可破解的位加密鎖 Lock Bit 技術(shù)，保密位單元深藏于芯片內(nèi)部，無法用電子顯微鏡看到 [10]。　　3）I/O 口功能強(qiáng),具有 A/D 轉(zhuǎn)換等電路　　AVR 單片機(jī)的 I/O 口是真正的 I/O 口，能正確反映 I/O 口輸入/ 輸出的真實(shí)情況。工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，具有大電流(灌電流)10～40 mA,可直接驅(qū)動(dòng)可控硅 SCR 或繼電器，節(jié)省了外圍驅(qū)動(dòng)器件。 AVR 單片機(jī)內(nèi)帶模擬比較器，I/O 口可用作 A/D 轉(zhuǎn)換，可組成廉價(jià)的 A/D 轉(zhuǎn)換器。ATmega48/8/16 等器件具有 8 路 10 位 A/D。 部分 AVR 單片機(jī)可組成零外設(shè)元件單片機(jī)系統(tǒng)，使該類單片機(jī)無外加元器件即可工作，簡(jiǎn)單方便，成本又低。 AVR 單片機(jī)可重設(shè)啟動(dòng)復(fù)位,以提高單片機(jī)工作的可靠性。有看門狗定時(shí)器實(shí)行安全保護(hù),可防止程序走亂飛,提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。　　4）有功能強(qiáng)大的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及通訊接口　　定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T/C 有 8 位和 16 位,可用作比較器。計(jì)數(shù)器外部中斷和 PWM(也可用作 D/A)用于控制輸出，某些型號(hào)的 AVR 單片機(jī)有 3～4 個(gè) PWM，是作電機(jī)無級(jí)調(diào)速的理想器件。AVR 單片機(jī)有串行異步通訊 UART 接口,不占用定時(shí)器和 SPI 同步傳輸功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般標(biāo)準(zhǔn)整數(shù)頻率下,而波特率可達(dá) 576K。　　5）片內(nèi) EEPROM　　EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。它是作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)空間而存在的，可以按字節(jié)讀寫。EEPROM 的壽命至少為 100,000 次擦除周期。EEPROM 的訪問由地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器決定。通過 SPI 和 JTAG 及并行電纜下載 EEPROM 數(shù)據(jù)的操作 [6]?？偟膩碚f，在相同的系統(tǒng)時(shí)鐘下 AVR 運(yùn)行速度最快；芯片內(nèi)部的沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文5Flsah、 EEPROM、SRAM 容量較大；所有型號(hào)的 Flash、EEPROM 都可以反復(fù)燒寫、全部支持在線編程燒寫(ISP)；多種頻率的內(nèi)部 RC 振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，零外圍電路也可以工作；每個(gè) IO 口都可以以推換驅(qū)動(dòng)的方式輸出高、低電平，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；內(nèi)部資源豐富，一般都集成 AD、DA 模數(shù)器；PWM；SPI、USART 、TWI、I2C 通信口；豐富的中斷源等。目前支持 AVR 單片機(jī)編譯器的語言主要有匯編語言、C 語言、BASIC 語言等。其中 C 編譯器主要有 CodeVisionAVR、AVRGCC 、 IAR、ICCAVR 等，C 語言編譯器由于它具有功能強(qiáng)大、運(yùn)用靈活、代碼小、運(yùn)行速度快等先天性的優(yōu)點(diǎn)，使得它在專業(yè)程序設(shè)計(jì)上具有不可代替的地位 [6]。 AVR 單片機(jī)的型號(hào)標(biāo)識(shí)解釋1）型號(hào)緊跟的字母，表示電壓工作范圍。帶“V”： ；若缺省，不帶“V”：。例：ATmega4820AU ，不帶“V” 表示工作電壓為 ?！　?）后綴的數(shù)字部分，表示支持的最高系統(tǒng)時(shí)鐘。例：ATmega4820AU， “20”表示可支持最高為 20MHZ 的系統(tǒng)時(shí)鐘?！　?）后綴第一（第二）個(gè)字母，表示封裝。 “P”：DIP 封裝， “A”： TQFP 封裝， “M”：MLF 封裝。例： ATmega4820AU， “A”表示 TQFP 封裝?！　?）后綴最后一個(gè)字母，表示應(yīng)用級(jí)別。 “C”：商業(yè)級(jí)， “I”：工業(yè)級(jí)（有鉛） 、 “U”工業(yè)級(jí)（無鉛） 。例：ATmega4820AU， “U”表示無鉛工業(yè)級(jí)。ATmega4820AI， “I”表示有鉛工業(yè)級(jí) [7]。 AVR 8Bit MCU 的最大特點(diǎn)與其它 8Bit MCU 相比，AVR 8Bit MCU 最大的特點(diǎn)是：　　1）哈佛結(jié)構(gòu)，具備 1MIPS / MHz 的高速運(yùn)行處理能力。2）超功能精簡(jiǎn)指令集（RISC） ，具有 32 個(gè)通用工作寄存器，克服了如 8051 MCU采用單一 ACC 進(jìn)行處理造成的瓶頸現(xiàn)象 [17]。 　 　 3）快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，大大優(yōu)化了目標(biāo)代碼的大小、執(zhí)行效率，部分型號(hào) FLASH 非常大，特別適用于使用高級(jí)語言進(jìn)行開發(fā) [16]?！　?）作輸出時(shí)與 PIC 的 HI/LOW 相同，可輸出 40mA（單一輸出） ，作輸入時(shí)可設(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備 10mA20mA 灌電流的能力?！　∩蜿柪砉ご髮W(xué)學(xué)士學(xué)位論文65）片內(nèi)集成多種頻率的 RC 振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，外圍電路更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠?！　?）大部分 AVR 片上資源豐富：帶E2PROM，PWM，RTC， SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT 等?！　?）大部分 AVR 除了有 ISP 功能外，還有 IAP 功能，方便升級(jí)或銷毀應(yīng)用程序 [8]。 MD5 加密算法的介紹 MD5 的簡(jiǎn)介MD5 算法即信息摘要算法（message digest algorithm 5),在 20 世紀(jì) 90 年代初由MIT 的計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和 RSA Data Secutity Inc 發(fā)明，經(jīng)歷的版本有 MD2 MD3 MD4， MD5 廣泛用于加密技術(shù)，很多系統(tǒng)用戶密碼都以 MD5 加密方式保存，用戶登錄時(shí)，系統(tǒng)將用戶輸入的密碼轉(zhuǎn)換成 MD5 值，然后再與系統(tǒng)中保存的 MD5 值比較，以此來驗(yàn)證用戶的合法性，這樣比保存密碼明文要安全的多，密碼明文容易被竊取和使用，而經(jīng) MD5 加密后的密碼，由于其不可逆運(yùn)算的特性，即使 MD5 加密后的密碼被竊取，系統(tǒng)安全也不會(huì)受到威脅 [16]。 MD5 算法的原理MD5 以 512 位（bit)分組來處理輸入的信息，每一分組又被劃分為若干子分組，經(jīng)過了一系列的處理后，算法的輸出由 4 個(gè) 32 位分組組成，將這 4 個(gè) 32 位分組組合后將生成一個(gè) 128 位散列值，這 128 位二進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于 16 個(gè)字節(jié)，由這 16 個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)換的字節(jié)串就是最后輸出的 32 個(gè)字符（每字節(jié)轉(zhuǎn)換為 2 個(gè)字符） 。本設(shè)計(jì) MD5 算法中，上下文結(jié)構(gòu)變量 context 的 buffer 成員是 512 位的信息處理緩沖，state 成員保存 MD5 算法的 4 個(gè) 32 位初始幻數(shù)及最終的組合輸出數(shù)位，count 成員保存信息位長(zhǎng)。在初始化上下文結(jié)構(gòu)變量 context 以后，算法首先調(diào)用 MD5Update 函數(shù)對(duì)原始信息串進(jìn)行變換。核心變換函數(shù)為 MD5Update,對(duì)于長(zhǎng)串會(huì)進(jìn)行盡可能多次的 MD5 四輪變換，每次進(jìn)行的四輪變換由函數(shù) MD5Transform 完成，變換后的結(jié)果存入于 context沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文7的狀態(tài)成員 state。MD5 算法接著再進(jìn)行信息串填充，使其位長(zhǎng)度對(duì) 512 求余的結(jié)果等于 448（即51264） ，信息的位長(zhǎng)度被擴(kuò)展至 n*512+448 位（bit） ，即 n*64+56 字節(jié)（n 為一個(gè)正整數(shù)) [19]。MD5 算法填充信息串時(shí)，在原始信息的后面填充一個(gè) 1 和若干個(gè) 0，直到滿足上面的條件為止。 中使用的數(shù)組 PADDING[64]={0x80,0,0，}用于填充處理，該數(shù)組所有字節(jié)展開為二進(jìn)制數(shù)時(shí)就是 1000000，它以 1 個(gè) 1 開頭，后面是 511 個(gè)0，共 512 位。實(shí)際填充時(shí)會(huì)使用其第 0 個(gè)字節(jié)開始的若干個(gè)連續(xù)字節(jié)。在進(jìn)行填充處理后再調(diào)用核心函數(shù) MD5Update 繼續(xù)進(jìn)行變換，完成填充后再使 64位二進(jìn)制表示的填充前信息長(zhǎng)度參與變換，此時(shí)是第 3 次調(diào)用 MD5Update 函數(shù)，本設(shè)計(jì)中附加的填充前信息長(zhǎng)度由 8 字節(jié)的 bits 數(shù)組給出。MD5 加密算法中，4 個(gè)加密幻數(shù)為：a=0x01234567，b=0x89abcdef,c=0xfedcba98,d=0x76543210。它們按 Little Endian 方式初始存放于 context state 中。MD5 加密的四輪變換函數(shù) MD5Transform 使用了以下 4 個(gè)非線性函數(shù)（每輪 1 個(gè)）：F(x,y,z)=(xamp。y)|((~x)amp。z)G(x,y,z)=(xamp。z)|(yamp。(~z))H(x,y,z)=x^y^zI(x,y,z)=y^(x|(~z))在經(jīng)過 MD5Final 的最后變換以后，context state 中保存的 16 字節(jié)數(shù)據(jù)就是待輸出的加密數(shù)據(jù)，這 16 個(gè)字節(jié)被復(fù)制到摘要字節(jié)數(shù)組 digest,程序最后將這 16 個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字符，每字節(jié)轉(zhuǎn)換為 2 個(gè)字符，得到最后的加密輸出字符串。以下為對(duì)原始密碼“123456” 進(jìn)行 MD5 加密的跟蹤過程：（1）調(diào)用 MD5Init 函數(shù)初始化 context,初始化以后的 context 各成員初值如下： 位長(zhǎng)成員 count[0]count[1]:0x00000000 00000000。 狀態(tài)成員 state[0]state[3]:0x10325476 98BADCFE EFCDAB89 67452301。 緩沖成員 buffer:64 個(gè) 0x00。（2）首次調(diào)用 MD5 核心計(jì)算函數(shù) MD5Update:MD5Update(amp。context,(INT8U*)str,len)。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文8 本次調(diào)用 MD5Update 對(duì)原始信息串進(jìn)行變換處理，處理后的 context 內(nèi)容如下： count[0]count[1]:0x00000030 00000000,即 count=48(這里的 48 表示原始串長(zhǎng)為 6字節(jié)，共 48 位） ； state[0]state[3]:0x10325476 98BADCEF EFCDAB89 6745230。 緩沖成員 buffer:31 32 33 34 35 36 80 0000，其中 80 開始的 50 個(gè)字節(jié)為填充字節(jié)，以 1 個(gè)二進(jìn)制 1 開頭，后面為 447 個(gè) 0，buffer 的最后 8 個(gè)字節(jié)仍為 0x00。 再次調(diào)用 MD5Update 函數(shù)：MD5Update(context,bits,8),附加用 64 位(8 字節(jié)）表示的填充前串進(jìn)行變換： count[0]count[1]:0x00000200 00000000 ,即 count=512。(512=448+64) state[0]state[3]:0x39DC0AE1 0xAB59BA49 0x57E056BE 0x3E880FF2。 Buffer 的內(nèi)容不變。最后輸出的 MD5 加密密碼為：e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e該字符串是將 state[0]state[3]中 4 個(gè)十六進(jìn)制長(zhǎng)整數(shù)逆轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)換為小寫以后的結(jié)果。為將初始密碼“123456”進(jìn)行 MD5 加密以后的密碼存入單片機(jī)的 EEPROM 存儲(chǔ)器，需要先將“e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e”保存到 文件。創(chuàng)建 以后，打開單片機(jī)屬性窗口找到“Advanced Properties下拉框，選擇“Initial contents of EEPROM項(xiàng)，在其后面的文本框中選擇 文件即可完成對(duì) EEPROM 的初始數(shù)據(jù)綁定。 本論文的結(jié)構(gòu)本論文包括五大部分，第一部分是緒論，其中描述了電子密碼鎖的介紹，MD5 算法的介紹，論文的結(jié)構(gòu)，和 AVR 單片機(jī)的發(fā)展過程和現(xiàn)狀；第二部分是系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，其中包括系統(tǒng)的整體框圖，硬件開發(fā)工具和軟件開發(fā)工具，講述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的每個(gè)小框架，軟件和硬件的功能菜單的介紹；第三部分是仿真硬件電路的設(shè)計(jì)，包括CPU 的選型，所選 CPU 的功能介紹，外圍電路的設(shè)計(jì)以及各模塊的功能介紹；第四部分是軟件設(shè)計(jì)，包括每個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)流程圖，及主要代碼介紹；第五部分是系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，包括程序的加載和功能的實(shí)現(xiàn)，介紹了軟件的運(yùn)行結(jié)果。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文92 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖圖 系統(tǒng)框圖如圖 所示，這個(gè)框圖實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖的功能，在設(shè)計(jì)中用 AVR 單片機(jī)的EEPROM 保存密碼，當(dāng)用戶輸入正確密碼時(shí)開鎖指示燈亮，液晶顯示屏顯示開鎖成功。開鎖成功后用戶可按下重設(shè)密碼鍵設(shè)置新密碼，在輸入十位以內(nèi)的新密碼后按下存入鍵可將新密碼用 MD5 算法加密并寫入 EEPROM，下次開鎖時(shí)用新密碼才能打開。每次按鍵蜂鳴器都會(huì)發(fā)出聲音以表示按鍵成功。 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái) PROTUES 簡(jiǎn)介PROTEUS 軟件是英國(guó) Labcenter electronics 公司研發(fā)的 EDA 工具軟件。它是一個(gè)集模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路以及多種微控制器系統(tǒng)為一體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)。是目前同類軟件中最先進(jìn)、最完整的電子類仿真平臺(tái)之一。它真正實(shí)現(xiàn)了在沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文10計(jì)算機(jī)上完成從原理圖、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測(cè)試與功能驗(yàn)證到 PCB 板生成的完整的電子產(chǎn)品研發(fā)過程 [9]。已經(jīng)安裝了 Proteus ISIS7 軟件的桌面上就會(huì)有圖標(biāo) 。雙擊該圖標(biāo)，出現(xiàn)工作界面如圖 1 所示。界面中包括：標(biāo)題欄、下拉主菜單、快捷按鈕欄、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具箱、狀態(tài)欄、選擇元器件按鈕、預(yù)覽對(duì)象方位控制按鈕、仿真操作按鈕、預(yù)覽窗口、電路原理圖編輯窗口等。電路圖的繪制運(yùn)行的程序后, 進(jìn)入該仿真軟件的主界面。作圖步驟： （1）繪圖前, 為了便于作圖, 可作一些設(shè)置。如設(shè)置柵格、柵格捕捉精度、圖形界面顏色、大小等。（2）通過對(duì)